專利名稱：一種激光相位法測距裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于線性尺寸測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光距離測量裝置，用于目標(biāo)物體到測量裝置之間的絕對距離的測量。
背景技術(shù)：
激光相位法測距技術(shù)是通過測量調(diào)制激光在待測距離間飛行引起的相位變化來測量距離的。在中短程測距中，影響測量精度的因素主要有調(diào)制頻率的相對誤差變化和相位差測量誤差。在同樣的相位差測量精度下，提高激光調(diào)制信號的頻率可以提高測量精度。 目前的激光相位法測距儀，其激光調(diào)制頻率一般在幾十兆赫茲至幾百兆赫茲，中短程測距儀的測距誤差一般大于1mm。激光相位法測距儀中激光的光強(qiáng)調(diào)制主要有兩種，一種是采用直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器的工作電流，從而直接改變激光器的發(fā)光功率，另一種是將激光準(zhǔn)直后，通入電光調(diào)制器，其出射光將隨調(diào)制電壓變化。第一種方法的限制是調(diào)制頻率較低， 第二種方法的缺陷是光路較復(fù)雜，體積較大，難于調(diào)整，不利于實(shí)際應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出激光一種相位法測距裝置，用L波段的射頻信號對集成電光調(diào)制器進(jìn)行電光調(diào)制，直接將激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖傳導(dǎo)進(jìn)入集成電光調(diào)制器，集成電光調(diào)制器的出射光束仍經(jīng)光纖傳導(dǎo)到測距儀發(fā)射物鏡的焦點(diǎn)處，從而大大簡化了光路結(jié)構(gòu)，同時(shí)集成電光調(diào)制器的調(diào)制頻率遠(yuǎn)高于激光器直接調(diào)制頻率，因此，可以達(dá)到更高的測量精度。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的所采用的具體技術(shù)方案為—種激光相位法測距裝置，包括激光發(fā)射與電光調(diào)制模塊、內(nèi)外光路模塊、光電探測與數(shù)據(jù)處理模塊。激光發(fā)射與電光調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)對發(fā)射的紅外激光高頻調(diào)制；調(diào)制后的激光由內(nèi)外光路模塊分為內(nèi)光路和外光路兩路；光電探測與信號處理模塊實(shí)現(xiàn)對內(nèi)外光路的光信號探測，并對探測后的電信號處理后最終輸出待測距離值。具體來說，激光發(fā)射與電光調(diào)制模塊由激光器、射頻信號發(fā)生器、集成電光調(diào)制器組成，激光器發(fā)射出的紅外光束經(jīng)光纖直接進(jìn)入集成電光調(diào)制器，由射頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的射頻信號對電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度調(diào)制。內(nèi)外光路模塊包括光纖分路器、設(shè)置在光纖分路器外光路出射處的準(zhǔn)直透鏡組、 設(shè)置在待測目標(biāo)處的反射鏡和設(shè)置在外光路接收探測器處的透鏡組。所述光纖分路器將調(diào)制后的彳目號分為兩路一路為內(nèi)光路，該路直接進(jìn)入內(nèi)光路對應(yīng)的光電探測器；另一路為外光路，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直后射向安裝在待測目標(biāo)處的反射鏡，經(jīng)該反射鏡反射回光纖分路器處后由所述聚焦透鏡組聚焦到外光路對應(yīng)的光電探測器。光電探測與信號處理模塊包括探測內(nèi)光路的光電探測器、探測外光路的光電探測器、模擬信號處理部分、數(shù)據(jù)采集和處理部分、以及結(jié)果顯示部分。兩個(gè)探測器將內(nèi)外光路對應(yīng)的兩路光信號分別轉(zhuǎn)換為電信號并放大；模擬信號處理部分把放大后的電流信號下變頻與濾波，將帶有噪聲的射頻信號變?yōu)檩^純凈的低頻信號，以便于高精度的相位差測量；數(shù)據(jù)采集部分通過雙通道A/D元件同步采集這兩個(gè)低頻信號，然后由采集的兩路數(shù)字信號計(jì)算出內(nèi)外光路的相位差，根據(jù)相位差就可計(jì)算出待測距離值并顯示。本實(shí)用新型具有以下的優(yōu)點(diǎn)I將調(diào)制激光的信號頻率提高到L波段(I. 5GHz左右的三個(gè)頻率)，同時(shí)保證信號頻率有很聞的穩(wěn)定度，從而提聞了測距精度。2激光器到調(diào)制器以及調(diào)制器到內(nèi)外光路均用光纖傳導(dǎo)，簡化了前端光路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。3用控制器控制小數(shù)分頻鎖相環(huán)分時(shí)產(chǎn)生調(diào)制集成電光調(diào)制器的三個(gè)射頻信號， 其結(jié)構(gòu)簡單，相位噪聲低。4采用對等的電路分時(shí)將內(nèi)外光路對應(yīng)的射頻信號同步下變頻到同樣頻率的低頻信號，有助于簡化探測后的信號處理電路和降低測量誤差。

圖I是激光相位法測距裝置的原理示意圖。圖2是射頻信號發(fā)生器的示意圖。圖3是激光測距儀光電探測后信號處理的示意圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本實(shí)用新型的激光相位法測距裝置的原理示意圖如圖I所示。激光器I發(fā)出的紅外激光通過光纖2直接進(jìn)入電光調(diào)制器3，射頻信號發(fā)生器的主振部分4分時(shí)發(fā)出3個(gè)L波段(I. 485GHz、I. 49925GHz、I. 5GHz)的信號，將該信號放大到足夠的功率并濾波后加載到電光調(diào)制器3。對電光調(diào)制器3調(diào)制后的光信號經(jīng)光纖分路器5分為兩路，由A端出射的一路為外光路，由B端出射的一路為內(nèi)光路。內(nèi)光路的光信號直接從光纖傳導(dǎo)到光電探測器 (PIN+TIA) 9。外光路的光信號由光纖傳導(dǎo)到準(zhǔn)直透鏡組6的焦點(diǎn)處，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組6準(zhǔn)直后射向設(shè)置在待測物體處的反射鏡7，由該反射鏡7反射后回到接收物鏡組8，接收物鏡組 8將外光路的光信號聚焦后進(jìn)入光電探測器(APD+TIA)10。探測器9和10將內(nèi)外光路的光信號分別轉(zhuǎn)化為電信號并放大。對電光調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制的主振4按照間接測尺頻率方式分配頻率，使得主振分時(shí)發(fā)出的三個(gè)L波段的頻率都在很小的范圍內(nèi)變動(dòng)，便于后續(xù)采用同一電路濾波和放大。分時(shí)發(fā)出的三個(gè)間接測尺頻率既能保證200m的測量范圍，又能保證O. Imm的測量分辨率。射頻信號發(fā)生器的示意圖如圖2所示，圖I中的主振4和圖3中的本振20均采用圖2的結(jié)構(gòu)。射頻信號發(fā)生器包括控制器15、小數(shù)分頻鎖相環(huán)13、電源14、晶振12、低噪聲放大器16、帶通濾波器17?？刂破?5(優(yōu)先選用采用單片機(jī)AT89LS52)向小數(shù)分頻鎖相環(huán) 13 (優(yōu)先選用ADF4350)寫入控制字以控制頻率的大小和變頻時(shí)間，該控制器15也同時(shí)控制圖3中的本振的變頻時(shí)間，使得主振4和本振20同步變頻。超低噪聲的電源14(優(yōu)先選用ADP150)向小數(shù)分頻鎖相環(huán)13供電，作為基準(zhǔn)頻率源的晶振12采用溫補(bǔ)晶振或者恒溫晶振，有助于提高頻率穩(wěn)定度。射頻信號的短期穩(wěn)定度主要由小數(shù)分頻鎖相環(huán)電路保證，長期穩(wěn)定度主要由溫補(bǔ)晶振或者恒溫晶振保證。小數(shù)分頻鎖相環(huán)13輸出的信號由低噪聲放大器16(優(yōu)先選用HMC719)放大，最后由帶通濾波器17濾波后加載到圖I中的集成電光調(diào)制器3上。早期的激光相位法測距儀采用對多個(gè)晶振的倍頻、分頻、混頻的方法產(chǎn)生調(diào)制信號，這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。目前的激光相位法測距儀產(chǎn)生調(diào)制頻率的方法有直接數(shù)字合成法(DDS)和間接頻率合成法(PLL)。目前的技術(shù)下，DDS法產(chǎn)生的信號的頻率不超過1GHz，PLL也可稱之為整數(shù)分頻鎖相環(huán)，該法雖能產(chǎn)生很高頻率的信號，但其頻率分辨率較低，跳頻時(shí)間長。將近幾年出現(xiàn)的小數(shù)分頻鎖相環(huán)應(yīng)用到相位法激光測距中，既能保證較高的頻率穩(wěn)定度和頻率分辨率，又有較短的跳頻時(shí)間，而且其結(jié)構(gòu)簡單，便于調(diào)試。所述光電探測與信號處理模塊的模擬信號處理部分包括兩個(gè)濾波器18和19、本振20和雙通道混頻器21。光電探測后信號處理的示意圖如圖3所示，雙通道混頻器21把內(nèi)外光路探測后的射頻信號與本振20的信號混頻(下變頻)，通過混頻就把內(nèi)外光路對應(yīng)的高頻信號變?yōu)榈皖l信號，計(jì)算出這些低頻信號的相位差，最終根據(jù)相位差計(jì)算出待測距離。 具體來說，內(nèi)光路對應(yīng)的光電探測器9輸出的電信號由濾波器18濾除多余的諧波成分，得到較純凈的射頻信號C。外光路對應(yīng)的光電探測器10輸出的電信號由濾波器19濾波，得到較純凈的射頻信號D。由于控制器15控制主振分時(shí)發(fā)出I. 485GHz、I. 49925GHz、I. 5GHz 的信號調(diào)制集成電光調(diào)制器，所以信號C、D也同步在這三個(gè)頻率間跳變，只是相位差不同。 控制器15也控制本振20分時(shí)發(fā)出三個(gè)頻率的射頻信號E，信號E的三個(gè)頻率分別比主振信號的三個(gè)頻率低同一固定值，并且與信號C、D同步跳頻。信號C、D與信號E在雙通道混頻器21(優(yōu)先選用ADL5802)中下變頻，下變頻后不同時(shí)刻的三對低頻信號的頻率相同(如 IMHz)，都等于信號C、D的頻率與信號E的頻率的差值，但每對信號的相位差不同。由雙通道A/D器件22同步采集每對信號后，由相位差計(jì)算裝置23計(jì)算出每對低頻信號的相位差， 也就是內(nèi)外光路的相位差，根據(jù)這3對信號的相位差就可計(jì)算出待測距離。環(huán)境變化會引起電路參數(shù)的變化，從而產(chǎn)生內(nèi)外光路對應(yīng)信號的附加相位差。為減少這種瞬時(shí)的附加相位差，在內(nèi)外光路的信號處理上采用對等的電路布置方式，下變頻器件和A/D采集器件均采用雙通道器件。通過標(biāo)定可得出光路和電路中長期不變的固定的附加相位差，將其在程序處理中作為定值性系統(tǒng)誤差予以消除。
權(quán)利要求1.一種激光相位法測距裝置,包括激光發(fā)射與電光調(diào)制模塊、內(nèi)外光路模塊,和光電探測與數(shù)據(jù)處理模塊，其中，所述激光發(fā)射與電光調(diào)制模塊用于發(fā)射經(jīng)高頻調(diào)制的紅外激光， 所述內(nèi)外光路模塊包括內(nèi)光路和外光路，所述紅外激光經(jīng)所述內(nèi)光路和外光路分開傳送， 外光路的紅外激光對待測物體進(jìn)行測距后傳送到所述光電探測與信號處理模塊，內(nèi)光路的紅外激光直接傳送到所述光電探測與信號處理模塊，該光電探測與信號處理模塊對傳送的兩路光信號分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換和變頻處理，計(jì)算出兩路光信號的相位差，即可獲得待測距離值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述的光電探測與信號處理模塊包括探測內(nèi)光路的光電探測器(9)、探測外光路的光電探測器(10)、模擬信號處理部分，以及數(shù)據(jù)采集和處理部分；其中，兩個(gè)光電探測器(9，10)分別將內(nèi)外光路傳送的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并放大；所述模擬信號處理部分把兩路放大后的電信號分別進(jìn)行下變頻與濾波，均轉(zhuǎn)換為低頻信號， 所述數(shù)據(jù)采集部分通過雙通道A/D元件同步采集這兩個(gè)低頻信號，然后由該兩個(gè)低頻信號計(jì)算出內(nèi)外光路光信號的相位差，根據(jù)該相位差即可計(jì)算出待測距離值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述模擬信號處理部分包括兩濾波器 (18，19)、本振(20)和雙通道混頻器(21)，該雙通道混頻器(21)把所述兩路放大后的電信號與本振(20)的信號混頻，即可實(shí)現(xiàn)將該兩路信號均變?yōu)榈皖l信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的裝置，其特征在于，所述激光發(fā)射與電光調(diào)制模塊包括激光器(I)、射頻信號發(fā)生器和集成電光調(diào)制器(3)，所述激光器(I)發(fā)射紅外激光，該激光光束經(jīng)光纖(2)直接進(jìn)入所述集成電光調(diào)制器(3)，該射頻信號發(fā)生器產(chǎn)生射頻信號對電光調(diào)制器(3)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述射頻信號發(fā)生器包括主振(4)，所述射頻信號通過該主振(4)產(chǎn)生，該主振(4)包括控制器(15)、晶振(12)、小數(shù)分頻鎖相環(huán)(13)，低噪聲放大器(16)和帶通濾波器(17)，所述控制器(15)控制小數(shù)分頻鎖相環(huán)(13)產(chǎn)生射頻信號，該信號由低噪聲放大器(16)放大，并由帶通濾波器(17)濾波后加載到所述集成電光調(diào)制器(3)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，該控制器(15)同時(shí)控制所述本振(20)的變頻時(shí)間，使得該主振(20)和本振(4)同步變頻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，加載到所述集成電光調(diào)制器(3)上射頻信號為三個(gè)，頻率分別為 I. 485GHz、I. 49925GHz、I. 5GHz。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述內(nèi)外光路模塊通過一個(gè)光纖分路器(5)分為內(nèi)光路和外光路，內(nèi)光路的光信號直接從光纖傳導(dǎo)到所述光電探測與信號處理模塊；所述外光路包括準(zhǔn)直透鏡組(6)、設(shè)置在待測物體處的反射鏡(7)和接收物鏡組(8)，該外光路的光信號由光纖傳導(dǎo)到準(zhǔn)直透鏡組(6)的焦點(diǎn)處，經(jīng)準(zhǔn)直后射向反射鏡(7)，反射后回到接收物鏡組(8)，該接收物鏡組(8)將外光路的光信號聚焦后送入所述光電探測與信號處理模塊。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種激光相位法測距裝置，包括激光發(fā)射與電光調(diào)制模塊、內(nèi)外光路模塊，和光電探測與數(shù)據(jù)處理模塊，其中，所述激光發(fā)射與電光調(diào)制模塊用于發(fā)射經(jīng)高頻調(diào)制的紅外激光，所述內(nèi)外光路模塊包括內(nèi)光路和外光路，所述紅外激光經(jīng)所述內(nèi)光路和外光路分開傳送到所述光電探測與信號處理模塊，該光電探測與信號處理模塊對傳送的兩路光信號分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換和變頻處理，計(jì)算出兩路光信號的相位差，即可獲得待測距離值。本實(shí)用新型裝置直接將激光器發(fā)出的光經(jīng)光纖傳導(dǎo)進(jìn)入集成電光調(diào)制器，出射光束仍經(jīng)光纖傳導(dǎo)到測距儀發(fā)射物鏡的焦點(diǎn)處，從而大大簡化了光路結(jié)構(gòu)，同時(shí)集成電光調(diào)制器的調(diào)制頻率遠(yuǎn)高于激光器直接調(diào)制頻率，因此，可以達(dá)到更高的測量精度。
文檔編號G01S17/36GK202351429SQ201120522738
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月14日
發(fā)明者劉玉周, 趙斌 申請人:華中科技大學(xué)